本发明公开了一种合成气甲烷化的流向变换周期操作反应装置，属于煤化工领域。所述的反应装置包括一个反应器单元和换热装置，反应器单元由一个分为三层的填充床催化反应器、两个两位三通阀、两个二通截止阀连接管道组成；换热装置包括一个原料预热换热器和一个回收热量换热器；实践中可将三个反应器单元进行三种组合方式的连接。使用上述装置进行合成气甲烷化反应时，交替控制两个两位三通阀的开、闭，实现气体在填充床催化反应器中流动方向的周期性变换；使用三个反应器单元组合时，关闭两个二通截止阀可实现整个系统不停车更换某一反应器单元的催化剂，保证生产过程的连续性。本发明的装置和方法使催化剂的寿命延长，原料气转化效率高。