本发明公开了一种天然气低温分离脱水系统与工艺，所述系统包括依次连接的第一混合器、洗涤器、膨胀机、低温分离器和压缩机；高压气源和水合物抑制剂在第一混合器中进行混合，然后进入洗涤器中进行气液分离，分离的气体在膨胀机中等熵膨胀、降低温度，再进入低温分离器中进一步分离气体中的水分，脱水后的气体最后经压缩机外输；本发明的低温分离脱水系统与现有技术中的三甘醇脱水系统相比，高效地利用了气源的高压力，低温分离脱水系统的效果更好，此外，本发明的低温分离脱水系统只有一个塔器，由于晃动对塔器的影响最为显著，因此，本发明很大程度上减轻了天然气脱水系统的晃动敏感性。