本实用新型公开了一种硫酸二甲酯的合成反应装置，涉及化工原料制备技术领域，装置包括依次连通的三氧化硫合成系统、酯化反应罐、脱气塔以及精馏塔；所述三氧化硫合成系统包括依次连通的空气干燥罐、燃烧室以及催化氧化罐，用于合成三氧化硫；所述酯化反应罐上设置有三氧化硫入口和二甲醚入口，所述酯化反应罐内设置有分布网筒，所述三氧化硫入口和所述二甲醚入口分别沿所述分布网筒的径向相对设置。与现有技术相比，本实用新型的优点如下：成本更低，利于工业化普及；在酯化反应罐内设置分布网筒，可提高三氧化硫与二甲醚的接触时长和接触面，提高酯化反应效率。