天然气以其高效、清洁的特点，已成为21世纪的主要能源之一，并且其消耗量呈现日益增大的趋势。而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，可实现对分散的小型天然气气田进行开采，提高我国能源开发利用度，降低对外依存度，具有重要价值。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、通过对小型膨胀式天然气液化流程的热力学分析，找到了流程中不可逆损失的主要环节和可以改善的空间，并通过对流程中的回热器进行优化，使系统的性能得到提高。通过进一步的热力学分析及窄点分析，考虑改进液化流程的结构，使得改进流程的液化率达到100%，且比功耗相对降低。本文同时考虑换热器压降，对系统性能进行优化，得到了较优的结果。3、以天然气液化系统优化结果为依据，进行低温换热器的设计。通过定性和定量的对比分析，选择板翅式换热器为小型撬装式天然气液化流程低温换热器。应用换热器设计软件Aspen MUSE对流程中的低温换热器进行初步设计，确定换热器的基本结构。在此基础上，应用粒子群优化算法对MUSE软件设计出的换热器芯体，以体积和质量为优化目标进行优化，分别得到了体积和质量最优的换热器芯体。以质量最优的换热器结构参数为基础，进行了换热器分配结构设计。最终针对低温换热器保温绝热的要求，对冷箱整体进行了设计，以满足撬装化的要求。4、针对天然气液化装置撬装化的要求，选择板翅式换热器作为压缩机空冷器。应用MUSE软件针对不同流量的空气进行设计分析，以确定最佳的空气流量。在最佳空气流量情况下，确定了换热器的翅片参数和整体尺寸。并根据空气流量和压降要求，确定了风机的型号。