본 발명은 산화탄소의 메탄화를 위한 일체형 다단 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소를 반응시켜 메탄화하기 위한 반응기에 있어서, 내부에 기체가 유동되도록 중공의 관형상으로 형성된 본체부, 상기 본체부의 내부의 하단에 배치되고, 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스와 고온의 촉매 전환 반응이 일어나도록 구비된 제 1 챔버, 상기 본체부의 하단에 구비되고, 제 1 챔버의 하단으로 혼합가스를 공급하도록 구비된 공급부, 상기 공급부 및 제 1 챔버의 하단의 사이에 배치되고, 상기 공급부로부터 공급된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소를 상기 제 1 챔버에 균일하게 분배하도록 구비된 제 1 가스분배기, 상기 제 1 챔버의 상부와 연결되고, 상기 제 1 챔버로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 구비된 제 1 열교환장치, 상기 제 1 열교환장치의 상단에 배치되고, 상기 제 1 챔버로부터 유동된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응이 일어나도록 구비된 제 2 챔버, 상기 제 1 열교환장치와 상기 제 2 챔버의 하단의 사이에 배치되고, 상기 제 1 챔버로부터 유동된 탄소, 물, 일산화탄소 또는 이산화탄소 및 수소를 상기 제 2 챔버에 균일하게 분배하도록 구비된 제 2 가스분배기, 상기 제 2 챔버의 상부와 연결되고, 상기 제 2 챔버로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 구비된 제 2 열교환장치, 상기 제 2 열교환장치의 상단에 배치되고, 상기 제 2 챔버로부터 유동된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응이 일어나도록 구비된 제 3 챔버, 상기 제 2 열교환장치와 상기 제 3 챔버의 하단의 사이에 배치되고, 상기 제 2 챔버로부터 유동된 탄소, 물, 일산화탄소 또는 이산화탄소 및 수소를 상기 제 3 챔버에 균일하게 분배하도록 구비된 제 3 가스분배기, 상기 제 3 챔버의 상부와 연결되고, 상기 제 3 챔버로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 구비된 제 3 열교환장치, 상기 본체부의 상단에 구비되어 상기 제 3 열교환장치의 상부에 배치되고, 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소와 촉매의 반응으로 생성된 메탄 및 물이 배출되는 배출부를 포함한다.