天然气以其高效、清洁的性能已成为21世纪的主要能源之一，并且其消耗量日益呈现增大的趋势。小型液化天然气装置以体积小、可撬装、机动运输、开停方便等特点，能对分散的天然气气田进行采集，为我国能源安全提供保障，在我国具有战略价值。本文针对这一装置及其关键技术展开研究，主要内容如下：1、调研了国内外小型天然气液化流程及装置研究进展，选择了空气膨胀式天然气液化流程作为本文的研究对象。2、调研了我国主要天然气田的组分和压力，根据调研结果选择一个典型的天然气组分和气源压力作为本研究模拟的依据。分析了天然气的热物性，基于混合物物性特点，选择了P-R方程作为天然气物性计算的状态方程，并在流程模拟软件HYSYS中选取P-R方程作为物性计算方程。重点介绍了HYSYS中各主要设备的计算模块。3、针对小型LNG装置要求设计流程简单的首要条件，选择膨胀液化流程作为本文研究的对象，以我实验室研制的单螺杆压缩机和单螺杆膨胀机的性能特点为基础，提出基于单螺杆膨胀机的小型三级膨胀液化流程，并对其进行了准确的计算和模拟。对提出的三级膨胀液化流程进行了分析，得出了气源压力，储存压力，循环增压比，工质冷却温度等参数对其性能的影响。4、根据分析结果，认为三级膨胀液化流程功耗高，且设备多难以实现。于是提出了两级膨胀液化流程和带回热的小型膨胀液化流程。对改进的两个液化流程，进行了人准确的计算和模拟，给出了流程中各节点状态参数。从流程简单，设计合理的角度出发，并对三种形式的流程方式进行对比分析，结果表明带回热的小型膨胀式液化流程性能最优。利用复形法对带回热的天然气液化流程进行了全局的优化分析，计算出了最佳工况和最佳的优化结果，其液化率最高为84%，比功耗最低为9.52kWh/kmol。根据优化结果，与国内外较先进的几种天然气液化流程进行了综合对比，结果表明，本研究设计的小型膨胀式天然气液化流程具有很好的先进性。5、对带回热的小型膨胀式液化流程进行了小型撬装化，模块化设计，对其主要设备进行了选型设计，并设计了其能量匹配方案，为装置的撬装化投产提供参考。