حزم تصميم العمليات، والهندسة الأساسية، والهندسة التفصيلية: فهم سير العمل الكامل للتصميم في مشروع كيميائي

في الهندسة الكيميائية، تظهر ثلاثة مصطلحات على مدار مراحل تطوير المشروع: حزمة تصميم العمليات, الهندسة الأساسية, و الهندسة التفصيلية. ومع ذلك، فإن أدوار كل منها وعلاقاتها لا تكون دائمًا واضحة للمهندسين الجدد أو المستثمرين أو مديري المشاريع.

ومن بين الأسئلة الرئيسية ما يلي:

• ما هي المهام التي تتولى كل مرحلة مسؤوليتها؟
• لماذا لا يمكن إتمام التصميم في خطوة واحدة؟
• كيف يتقاسم مانحو التراخيص التكنولوجية وشركات الهندسة الدولية هذه المسؤوليات؟
• لماذا نادرًا ما تقوم شركات المقاولات الكبرى المتخصصة في مجال الهندسة والمشتريات والبناء (EPC) بتطوير تقنيات العمليات الخاصة بها؟

يشرح هذا المقال سير العمل الكامل في تصميم مشروع كيميائي، والمنطق التجاري الكامن وراء هذا التقسيم للمسؤوليات.

إحدى الطرق البسيطة لفهم هذه العلاقة هي:

• إن حزمة تصميم العمليات يحدد تقنية التصنيع والظروف المطلوبة لتصنيع المنتج المطلوب.
• الهندسة الأساسية يحول تقنية المعالجة تلك إلى مخطط هندسي يمكن تقييمه وتقدير تكاليفه وتطويره بشكل أكبر.
• الهندسة التفصيلية يقوم بتحويل المخطط المعتمد إلى رسومات ومواصفات يمكن استخدامها في عمليات الشراء والتصنيع والبناء والتركيب.

حزمة تصميم العمليات: تحديد التكنولوجيا الأساسية للعملية

A حزمة تصميم العمليات, ، ويُختصر عادةً بـ حزب الشعب الديمقراطي, ، هي حزمة هندسية أولية تحدد العملية ونطاقها من خلال الرسومات والحسابات والمواصفات والوثائق الفنية.

تصف شركة «كوتش مودولار» حزمة التصميم الأولي (PDP) بأنها حزمة هندسية أولية تستخدم الرسومات والمواصفات لتحديد النطاق الإجمالي للتوريد. ومن الناحية العملية، توضح هذه الحزمة ما يُقصد أن تنتجه المنشأة، وكيفية عمل العملية، والمبادئ التقنية وظروف التشغيل التي تعتبر حاسمة.

أشارت ورقة بحثية قدمها فريق الهندسة التابع لشركة الصناعات الأساسية السعودية (سابك) في مؤتمر المعهد الأمريكي للمهندسين الكيميائيين (AIChE) إلى أن خطة تطوير المشروع (PDP) تُوضع عادةً خلال مرحلة دراسة جدوى المشروع. وهناك ثلاثة مخرجات رئيسية—مخططات تدفق العمليات (PFDs), مخططات الأنابيب والأجهزة (P&IDs), و ورقات بيانات المعدات—قد يمثل ما يقرب من 60% من إجمالي ساعات العمل الهندسية اللازمة لإعداد الحزمة.

تصف ورقة بحثية أخرى صادرة عن الجمعية الأمريكية للمهندسين الكيميائيين (AIChE) وثيقة PDP بأنها مجموعة من الوثائق التي تحتوي على معلومات تقنية ومتعلقة بالعمليات كافية لتمكين شركة هندسية من إعداد حزمة التصميم الهندسي الأولي أو الانتقال مباشرةً إلى مرحلة الهندسة التفصيلية.

قد يتضمن نموذج PDP النموذجي ما يلي:

1. أساس التصميم وبيانات تصميم العمليات
2. مخططات تدفق العمليات
3. مخططات P&ID الأولية للعمليات
4. أوراق بيانات عمليات المعدات وقوائم المعدات
5. أوصاف نظام القفل المتشابك
6. الرسومات الأولية لتخطيط توزيع المعدات
7. قوائم السوائل وفئات مواد الأنابيب
8. معايير تصميم سلامة العمليات
9. متطلبات المرافق العامة
10. أوراق بيانات العمليات الخاصة بأجهزة تخفيف الضغط والبيانات البيئية

باختصار، يُعدّ برنامج التصميم العملي (PDP) المرجع الفني الرئيسي لمحطة المعالجة. وهو يتضمن التكنولوجيا الأساسية للعملية، وغالبًا ما يشمل المعرفة الحصرية والملكية الفكرية للمرخص.

وبدون هذه الحزمة، لا يمكن للمقاول الهندسي المضي قدمًا بشكل موثوق في مراحل التصميم اللاحقة.

الشكل 1. مصنع كيميائي حديث، حيث تُظهر شبكات الأنابيب الواسعة والأعمدة ومعدات المعالجة مدى تعقيد مشاريع الهندسة الكيميائية.

الهندسة الأساسية: الربط بين متطلبات العمليات والتنفيذ الهندسي

تختلف المصطلحات المستخدمة في هذه المرحلة باختلاف الشركات والمناطق. ومن بين المصطلحات الشائعة ما يلي: الهندسة الأساسية, حزمة التصميم الهندسي الأساسية (BEDP), ، والأكثر استخدامًا بشكل عام التصميم الهندسي الأولي (FEED).

تصف المصطلحات المستخدمة في DEC Engineering العلاقة التدرجية بين هذه المراحل: حيث يُشكّل برنامج تطوير المشروع (PDP) الأساس لتوثيق العمليات الأساسية للمصنع، في حين يضيف برنامج تصميم الهندسة التفصيلية (BEDP) ما يكفي من التفاصيل الهندسية لتمكين المقاول المؤهل من البدء في الهندسة التفصيلية، وشراء المعدات التي تستغرق فترة طويلة لتوريدها، والاستعداد لبدء أعمال البناء.

إذا حددت عملية التصميم الأولي (PDP) درجة الحرارة والضغط المطلوبين لإجراء تفاعل كيميائي، فإن الهندسة الأساسية تحدد سعة المفاعل ومواد بنائه، وأحجام الأنابيب المطلوبة، والمساحة اللازمة لتركيب النظام وتشغيله.

تشمل الأنشطة الهندسية الأساسية النموذجية ما يلي:

• تحويل مخططات P&ID الخاصة بالعمليات الواردة في خطة تطوير المشروع (PDP) إلى مخططات P&ID على المستوى الهندسي المناسبة للتصميم التفصيلي
• إعداد المواصفات الأولية للمعدات الرئيسية، مع توفير التفاصيل الكافية لطلب عروض أسعار للسلع التي تستغرق فترة طويلة لتوريدها
• تحديد المقاسات الأولية للأنابيب، وفئات المواد، ومتطلبات العزل
• تطوير نموذج ثلاثي الأبعاد أولي وتخطيط عام للمصنع
• إجراء دراسة المخاطر وقابلية التشغيل (HAZOP)
• إعداد تقدير أكثر دقة لتكلفة رأس المال، وعادةً ما يكون في نطاق يتراوح بين ±10% و±15% تقريبًا

وفقًا للمعايير المستخدمة دوليًا التحميل الأمامي (FEL) في هذا الإطار، يُقسم تطوير المشاريع عادةً على النحو التالي:

• FEL-1 — الجدوى: التعريف الأولي للعملية، ومخططات التدفق التخطيطية، وتقدير التكلفة بدقة تبلغ حوالي ±50%
• FEL-2 — التصميم المفاهيمي أو مرحلة ما قبل التصميم التفصيلي الأولي (Pre-FEED): حزمة عمليات أكثر تطوراً، ومخططات التصميم الأولي (PFDs)، ومخططات P&ID الأولية، وتقدير للتكلفة بدقة تبلغ حوالي ±30%
• FEL-3 — التخطيط أو الهندسة الأساسية: مستوى أعلى بكثير من دقة التصميم، بما في ذلك أوراق بيانات المعدات على مستوى المشتريات، لدعم قرار الاستثمار النهائي (FID)

لماذا يُقسَّم المشروع إلى مراحل تصميم متعددة؟ السبب الرئيسي هو أن تكلفة التغييرات في التصميم تكون منخفضة نسبيًا خلال المراحل المبكرة من تطوير المشروع. أما بمجرد بدء الأعمال الهندسية التفصيلية أو أعمال البناء، فإن التغييرات نفسها قد تؤدي إلى زيادات كبيرة في التكاليف وتأخيرات في الجدول الزمني.

تشير الدراسات المتخصصة في هذا المجال إلى أن تنفيذ مرحلة التصميم الأولي (FEED) بشكل جيد يمكن أن يقلل بشكل كبير من تكلفة المشروع ومدة تنفيذه، على الرغم من أن حجم التحسن الفعلي يعتمد على مدى تعقيد المشروع، ومدى نضج التصميم، وظروف التنفيذ.

مخططات التدفق (PFDs) ومخططات العمليات والبيانات (P&IDs) في الهندسة الأساسية: أدوار مختلفة لكنها متكاملة

من الأسئلة الشائعة: لماذا تحتاج مرحلة الهندسة الأساسية إلى مخططات P&ID إذا كان مقاول الهندسة التفصيلية سيصدر لاحقًا مخططات P&ID كاملة على مستوى الإنشاء؟ هل هذا عمل مكرر؟ أي الوثيقتين أكثر أهمية خلال مرحلة الهندسة الأساسية: مخطط PFD أم مخطط P&ID؟

تحدد الوثيقتان جوانب مختلفة من المحطة، ولذلك فهما متكاملتان.

A يحدد PFD التكوين العام للعملية. ويوضح هذا الرسم البياني تدفقات المواد، وتكامل الحرارة، ومواقع عمليات التفاعل والفصل الرئيسية. كما يساعد في الإجابة عن أسئلة أساسية مثل:

• هل مسار العملية ممكن من الناحية الفنية؟
• هل هذا صحيح من الناحيتين الديناميكية الحرارية والكيميائية؟
• هل العملية المختارة معقولة من الناحية الاقتصادية؟
• ما هي مجموعة المعدات التي ينبغي استخدامها؟

على سبيل المثال، قد يحدد مستند التخطيط الأولي (PFD) ما إذا كانت العملية تتطلب مفاعلًا ذي قاعدة ثابتة أو مفاعلًا ذي قاعدة مميعة، أو ما إذا كان ينبغي استخدام التقطير الاستخلاصي أم التقطير الأزيوتروبي. وبمجرد اتخاذ هذه الخيارات، يتم بناء الأعمال الهندسية اللاحقة بناءً عليها.

A يقوم نظام P&ID بتحويل تكوين هذه العملية إلى نظام هندسي قابل للتشغيل. وهو يحدد كيفية توصيل المضخات والصمامات والأجهزة والمعدات ودوائر التحكم. كما يحدد فلسفة التحكم في العمليات والسلامة.

قد تتضمن مخططات P&ID الخاصة بمرحلة الإنشاء، والتي يتم إعدادها خلال مرحلة الهندسة التفصيلية، نقاط أخذ العينات، وميل الأنابيب، ومتطلبات التتبع، وتفاصيل التركيب الأخرى. ولا تحدد مخططات P&ID الخاصة بالهندسة الأساسية بالضرورة كل تفاصيل الإنشاء. والغرض الأساسي منها هو الحفاظ على المنطق الأساسي للعملية والتحكم والسلامة، حتى لا يتم تغييره عن غير قصد خلال مرحلة التصميم التفصيلي.

في المشاريع الكيميائية، يُعد فهم كيفية تشغيل المعدات لإنتاج منتج متسق ومطابق للمواصفات أكثر أهمية من مجرد إعداد مجموعة كاملة من الرسومات.

غالبًا ما يمكن استنساخ تكوينات المعدات، لكن المعرفة الفنية المتعلقة بالعمليات أصعب بكثير في الاستنساخ. وقد يكون مانح الترخيص التكنولوجي على علم بما يلي:

• معدل التدرج الحراري المناسب خلال المرحلة الأكثر حساسية للحرارة في التفاعل
• السرعة المثلى لتقليب جهاز التبلور
• مستوى التشبع الزائد المطلوب لإضافة البذور
• الشروط اللازمة للحصول على التوزيع الحجمي المستهدف للبلورات
• استجابة التحكم المطلوبة أثناء بدء التشغيل أو إيقاف التشغيل أو حدوث اضطرابات في العملية

وتتجلى هذه المعرفة من خلال مبادئ التشغيل الواردة في مخطط التصميم الأولي (PDP)، ويتم تنفيذها من خلال مخططات التصميم الأولي (PFDs) ومخططات الأنابيب والآلات (P&IDs) التي يتم وضعها خلال مرحلة الهندسة الأساسية. وهي تشكل جزءًا رئيسيًّا من القيمة المقدمة بموجب اتفاقية ترخيص التكنولوجيا.

يُعرّف جهاز الإنقاذ الشخصي (PFD) في المقام الأول ما هي العمليات ومجموعات المعدات المطلوبة؟. يُعرّف مخطط P&ID ما يلي: كيف يجب تشغيل تلك الأنظمة والتحكم فيها وحمايتها. وتشكل هذه العناصر مجتمعةً إطارًا هندسيًّا يمكن تطبيقه في منشأة حقيقية.

إذا كان مخطط PFD يتضمن منطق التحكم، فهل يظل مخطط P&ID الهندسي الأساسي ضروريًا؟

يمكن أن يتضمن مخطط التدفق الأساسي (PFD) المفصل بشكل كافٍ موازين المواد والطاقة، وحلقات التحكم الرئيسية، ومحفزات وإجراءات الترابط الحرجة، وشروط التصميم، وحدود الإنذار، ونقاط ضبط الإيقاف. ولذلك، قد يتمكن المهندس المتمرس من فهم استراتيجية التشغيل الرئيسية من خلال مخطط التدفق الأساسي (PFD) المُعدّ بشكل شامل.

ومع ذلك، فإن وثيقة التصميم الأولي (PFD) تنطوي على قيود متأصلة. فهناك العديد من القرارات الهندسية التي لا يمكن توثيقها بشكل كافٍ فيها.

تفاصيل سلامة العمليات

صمام الأمان الموضح على ورقة بيانات الأداء (PFD) هو مجرد رمز. ويجب أن يحدد التصميم أيضًا ما يلي:

• السعة المطلوبة لتقديم المساعدة
• مواد البناء
• وجهة التصريف، مثل نظام الشعلة أو فتحة التهوية المحلية
• تأثير الضغط الخلفي لنظام الشعلة على سعة التفريغ
• متطلبات العزل والصيانة

وعادةً ما يتم توثيق هذه القرارات في مخطط P&ID وتدعمها الحسابات ذات الصلة. كما أنها تُعد مدخلات أساسية لدراسات HAZOP ومراجعات السلامة التنظيمية.

في الحالات التي تنطبق فيها اللوائح أو المعايير الصينية، يجب أن تتوافق الوثائق مع ما يقتضيه المعايير الوطنية الصينية (معايير GB أو GB/T) والمتطلبات التنظيمية المحلية. ولا ينبغي تفسير هذه المتطلبات على أنها معايير دولية.

إجراءات بدء التشغيل وإيقاف التشغيل

تصف وثائق التصميم الأولي (PFD) بشكل أساسي التشغيل العادي للعملية. وهي لا تتضمن عادةً جميع الأنابيب المساعدة اللازمة من أجل:

• تشغيل نظام التهوية والتدفئة
• الإيقاف، والتفريغ، والتطهير
• تجديد المُحفز
• عزل المعدات
• الوصول لأغراض الصيانة
• إزالة الضغط والتنظيف

يجب تحديد هذه الوصلات في مخططات P&ID.

متطلبات تشغيل الصمامات

لا تحدد حلقة التحكم المعروضة على شاشة عرض الأداء (PFD) بشكل كامل كيفية عمل صماماتها. يجب أن تحدد مخططات P&ID أمورًا مثل:

• سواء تعطل صمام العزل أو الإغلاق في وضع الفتح أو في وضع الإغلاق
• ما إذا كانت هناك حاجة إلى صمامات قطع يدوية قبل وبعد صمام التحكم
• ما إذا كان من الضروري استخدام خط تجاوز أم لا
• كيف تستجيب الصمامات عند تفعيل نظام القفل المترابط

وبدون هذه المعلومات، لا يمكن تحديد مواصفات المعدات والأجهزة أو شراؤها بشكل صحيح، ولا يمكن تقييم سلامة المنشأة تقييمًا سليمًا.

متطلبات تسليم الأعمال الهندسية

يجب على المقاول الهندسي التفصيلي تحويل التصميم إلى وثائق إنشائية. وللقيام بذلك، يحتاج المقاول إلى مخططات الأنابيب والعمليات (P&IDs) لتحديد ما يلي:

• فئات ضغط الأنابيب
• مواد البناء
• متطلبات العزل والتدفئة الكهربائية
• أنواع التوصيلات
• توصيلات الأجهزة
• ترتيبات التصريف والتهوية وأخذ العينات والشطف

قد تنص وثيقة التصميم الأولي (PFD) على ضرورة تسخين تيار ما إلى 200 درجة مئوية. ويحدد مخطط الأنابيب والرسوم التخطيطية (P&ID) والمواصفات ذات الصلة مادة الأنابيب، وسماكة الجدران، والعزل، وطريقة التسخين، وترتيبات التحكم اللازمة لتلبية هذا المطلب بأمان.

وبالتالي، فإن مخطط P&ID الهندسي الأساسي ليس مجرد رسم إضافي. فهو يحول متطلبات العملية إلى نظام يمكن تصميمه وشراء مكوناته وبناؤه وتشغيله وصيانته بأمان.

كما أنها توفر منصة تنسيق مشتركة للتخصصات المتعلقة بالعمليات، والسلامة، والأنابيب، والمعدات، والأجهزة القياسية، والكهرباء، والهندسة المدنية، والهندسة الإنشائية. إن تجاهل هذه الخطوة يؤدي إلى نقل القرارات الفنية الرئيسية إلى فريق الهندسة التفصيلية، الذي قد لا يمتلك نفس المستوى من المعرفة المتعمقة بالعمليات. وقد يؤدي ذلك إلى زيادة كبيرة في التغييرات التي تُجرى في المراحل المتأخرة ومخاطر المشروع.

الهندسة التفصيلية: إعداد الوثائق الجاهزة للتنفيذ

تُعرف هذه المرحلة باسم التصميم التفصيلي أو الهندسة التفصيلية.

تصف شركة HEDCO «الهندسة التفصيلية» بأنها المرحلة التي يقوم فيها كل تخصص هندسي بإنجاز التصميم الفني الأكثر شمولاً المطلوب لضمان إمكانية تركيب المحطة بأمان، ودون أي تعارضات فنية، وبكفاءة مناسبة من حيث تكلفة البناء.

وتقدم شركة «كوتش مودولار» وصفًا مشابهًا: حيث يقوم المهندسون والمصممون بتحديد كل مكون من مكونات نظام العمليات المعياري بشكل منهجي. ويتم تقييم المعدات، والأنابيب، والهياكل الفولاذية، وأجهزة القياس، والأنظمة الكهربائية، وأنظمة التحكم، وتحسينها، وتصميمها بتفاصيل كافية لتسهيل عمليات التصنيع والبناء.

إذا كان التصميم المبدئي (PDP) يحدد الأهداف التي يجب أن تحققها العملية، والتصميم الهندسي الأساسي يحدد الأنظمة اللازمة لتحقيقها، فإن التصميم الهندسي التفصيلي يحدد بالضبط كيفية تصنيع تلك الأنظمة وتركيبها وتوصيلها وبنائها.

تشمل النتائج الهندسية التفصيلية النموذجية ما يلي:

• رسومات المعدات على مستوى الإنشاء وتفاصيل التصنيع
• نماذج ثلاثية الأبعاد كاملة للأنابيب ورسومات إيزومترية للأنابيب
• قوائم المواد (BOM) ومواصفات الشراء
• مؤشرات الأجهزة، ورسومات الحلقات، ومخططات التوصيلات الكهربائية
• المخططات الكهربائية أحادية الخط ورسومات التخطيط
• رسومات الأساسات المدنية وتفاصيل الفولاذ الإنشائي
• تعليمات البناء والتركيب

تُستخدم الوثائق الهندسية التفصيلية مباشرةً في عمليات الشراء والتصنيع والتركيب وأعمال البناء في الموقع. ويُعد إعداد هذه الوثائق من المسؤوليات الرئيسية لمقاول EPC.

الاختلافات الرئيسية بين مراحل التصميم الثلاث

مقارنة	حزمة تصميم العمليات (PDP)	الهندسة الأساسية (FEED/BEDP)	الهندسة التفصيلية
مرحلة المشروع	دراسة الجدوى أو التطوير المفاهيمي	بعد مرحلة التصميم الأولي وقبل مرحلة الهندسة التفصيلية	بعد مرحلة التصميم التفصيلي (FEED) وقبل البدء في البناء
السؤال الرئيسي	ما هي العملية التي ينبغي اتباعها؟	ما هي المعدات والأنظمة الهندسية المطلوبة؟	كيف ينبغي تصنيع المصنع وتركيبه وبناؤه؟
النتائج الرئيسية	مخططات التصميم الأولي (PFDs)، ومخططات P&ID الأولية، وصحائف بيانات معدات العمليات	مخططات P&ID الهندسية، ومواصفات المعدات التي تتطلب فترة تجهيز طويلة، ونموذج ثلاثي الأبعاد أولي	الرسومات الإنشائية، والرسومات الإيزومترية، وقوائم المواد، ومخططات الأسلاك
دقة تقدير التكاليف	ما يقارب ±30% إلى ±50%	ما يقارب ±10% إلى ±15%	متطورة بما يكفي لدعم إعداد ميزانيات الإنشاءات
الطرف المسؤول النموذجي	مانح ترخيص التكنولوجيا أو مالك العملية	شركة هندسية، أو مالك، أو مانح ترخيص، أو فريق مشترك	فريق هندسي متعدد التخصصات في مجال EPC
المعارف الأساسية ذات الصلة	تكنولوجيا العمليات والخبرة الفنية الخاصة بالشركة	التصميم الهندسي والتكامل	المعلومات الهندسية المتعلقة بأعمال البناء

كيف تعمل المراحل الثلاث معًا

تشكل المراحل الثلاث تسلسلاً متصلاً:

• إن حزب الشعب الديمقراطي يحدد مسار العملية، وفترة التشغيل، وموازين المواد والطاقة، والمتطلبات الفنية الأساسية.
• الهندسة الأساسية يحول تلك المتطلبات إلى مفهوم متكامل للمنشأة، ويحدد المعدات الرئيسية وفلسفة التحكم، ويقلل من درجة عدم اليقين قبل الدخول في التزامات استثمارية كبيرة.
• الهندسة التفصيلية يقوم بتحويل المفهوم المعتمد إلى رسومات ونماذج ومواصفات وقوائم مواد، وهي العناصر اللازمة لعملية الشراء والبناء.

إن أي قصور في أي مرحلة من المراحل يؤثر على جميع الأعمال اللاحقة.

قد يؤدي عدم اكتمال وثيقة تخطيط المشروع (PDP) إلى عدم تحديد الشروط الحاسمة للعملية. كما أن عدم كفاية الهندسة الأساسية قد يؤدي إلى بقاء مشكلات تتعلق بالسلامة أو قابلية التشغيل أو التصميم أو التكلفة دون حل. أما سوء الهندسة التفصيلية فقد يؤدي إلى أخطاء في المشتريات، وتعارضات في الموقع، وإعادة العمل، وتأخيرات في البناء.

مسار عمل التصميم بدءًا من حزمة تصميم العمليات وصولاً إلى الهندسة التفصيلية.

ما هي الشركات الدولية التي تقوم بتطوير حزم تصميم العمليات؟

عادةً ما تمتلك الشركات القادرة على توفير حزم تصميم العمليات تقنيات تفاعل خاصة بها، أو أنظمة محفزات، أو خبرة في تكامل العمليات، أو تقنيات فصل متخصصة.

ويمكن تصنيفها إلى عدة فئات عامة.

الشركات الراسخة في مجال ترخيص تكنولوجيا البتروكيماويات

الشركة	المجالات الأساسية	تقنيات تمثيلية
هانيويل يو أو بي	التكرير، والمركبات العطرية، والأوليفينات، ومعالجة الغاز الطبيعي	Parex™ لفصل البارا-زيلين و Butamer™ لإجراء عملية الأيزومرة
لوموس تكنولوجي	تكسير الإيثيلين، والإيثيلبنزين/الستايرين، والبولي بروبيلين	التقنيات المرخصة المستخدمة في مشاريع الإيثيلين الكبيرة
KBR	الأمونيا، والتكرير، واستخلاص الأوليفينات	تقنية KBR Purifier™ لمعالجة الأمونيا
تيكنيب إنيرجيز	أفران الإيثيلين، والغاز الطبيعي المسال، والهيدروجين	مجموعة واسعة من تقنيات المعالجة المرخصة
أكسينز	المعالجة الهيدروجينية، وإعادة التوليف، والوقود الحيوي	تسويق تقنيات معهد IFPEN
ثيسنكروب أوده	المواد الكيميائية المستخرجة من الفحم، والأسمدة، وصناعة الكلور والقلويات، وحمض النيتريك	تقنيات معالجة راسخة ومرخصة

أقسام ترخيص التكنولوجيا التابعة لشركات إنتاج المواد الكيميائية

الشركة	المجالات الأساسية	تقنيات أو خصائص تمثيلية
داو	البولي إيثيلين، والبولي يوريثان، وأكسيد الإيثيلين، والإيثيلين جلايكول	تقنية UNIPOL™ للمرحلة الغازية
إكسون موبيل	تبلور البارا-زيلين وتكريره	أجهزة PDP التي يتم توريدها من خلال عمليات الترخيص الخاصة بها
BASF	استخلاص حمض الأكريليك والبيوتادين	التقنيات التي غالبًا ما يتم دمجها مع توريد المحفزات
شل	التغويز، وأكسيد الإيثيلين، والإيثيلين جلايكول	شركة شل للمحفزات والتقنيات
INVISTA	PTA، وPET، والأديبونيتريل، والنايلون 6,6	تقنيات بلمرة P8 PTA والنايلون 6,6

مقدمو تقنيات الفصل المتخصصة

يُعد الفصل والتنقية أمرين لا يقلان أهمية عن هندسة التفاعلات في العديد من العمليات الكيميائية. ومن بين الشركات التي تمتلك قدرات متخصصة في هذا المجال:

الشركة	التكنولوجيا الأساسية	التطبيقات
شركة إير برودكتس	أجهزة الفصل بالغشاء الليفي المجوف PRISM®	الغاز الطبيعي المسال الحيوي والعمليات البحرية
ليندي للهندسة	تقنية الأغشية HISELECT®	إزالة الكربون من الغاز الطبيعي واستخلاص الهيدروجين
هانيويل يو أو بي	الفصل بالامتصاص باستخدام تقنيتي Parex™ و Molex™	فصل البارا-زيلين عن البارافين العادي
سولزر	التقطير، والتبلور، والفصل الغشائي	البوليمرات ذات الأساس الحيوي، بما في ذلك PLA

شركات متخصصة في تكنولوجيا العمليات

الشركة	المجال الأساسي	الموقف في القطاع
ستاميكاربون	تكنولوجيا اليوريا	التكنولوجيا المستخدمة في جزء كبير من الطاقة الإنتاجية العالمية لليوريا
جونسون ماتي	تخليق الميثانول، وتحويل الغاز إلى سوائل، وخلايا الوقود	خبرة راسخة في مجال المحفزات والعمليات
توبسو	الأمونيا، والميثانول، والهيدروجين، وحمض الكبريتيك	شركة دنماركية رائدة في مجال ترخيص التكنولوجيا

تقوم هذه الشركات في المقام الأول بتسويق المعرفة المتعلقة بالعمليات: مسارات التفاعلات، وتركيبات المحفزات، ونطاقات التشغيل، وتكوينات العمليات. وقد تدعم هذه الشركات عملية التطوير الهندسي، لكنها ليست مسؤولة بالضرورة عن إعداد جميع الرسومات الإنشائية أو تنفيذ أعمال التركيب المدنية.

الشكل 2. منشأة كبيرة للمعالجة الكيميائية توضح مدى التعقيد الهندسي لمصنع حديث.

توزيع المسؤوليات بين مانحي تراخيص التكنولوجيا ومقاولي EPC.

ما هي الشركات الدولية التي تقوم بأعمال الهندسة التفصيلية؟

بعد استلام وثائق التصميم الأولي (PDP) والوثائق الهندسية الأساسية، يقوم مقاولو EPC والشركات الهندسية المتخصصة بتحويل التصميم إلى حزم مشتريات ورسومات تصنيع ووثائق إنشائية وبنية تحتية مادية للمنشأة.

أكبر شركات المقاولات المتكاملة (EPC) في أوروبا وأمريكا الشمالية

الشركة	المجالات الأساسية	الخصائص
بيكتل	الطاقة والبتروكيماويات والغاز الطبيعي المسال	إحدى أكبر شركات الهندسة والبناء في الولايات المتحدة
فلور	التكرير، والكيماويات، والأدوية، والتعدين	شركة دولية كبرى متخصصة في الهندسة والمقاولات
KBR	الأمونيا، والتكرير، والأوليفينات	تجمع بين ترخيص التكنولوجيا وقدرات EPC
تيكنيب إنيرجيز	الإيثيلين والغاز الطبيعي المسال	تجمع بين التكنولوجيا الحصرية والتنفيذ الهندسي
ماكديرموت	خزانات التخزين، وعمليات تكسير الإيثيلين، ومحطات الغاز الطبيعي المسال	خدمات تمتد من مرحلة التصميم التفصيلي الأولي (FEED) إلى مرحلة التصميم، المشتريات، البناء والتشغيل (EPCIC)
سايبم	النفط والغاز البحري والبتروكيماويات البرية	شركة مقاولات هندسية إيطالية كبرى
تيكنيكاس ريونيداس	التكرير والبتروكيماويات	شركة هندسية وإنشائية إسبانية
ليندي للهندسة	فصل الغازات، وتصميم الدراسة الأولية (FEED)، والهندسة التفصيلية	منظمة هندسية ألمانية كبرى

شركات المقاولات اليابانية والكورية الجنوبية المتخصصة في مجال الهندسة والمشتريات والبناء (EPC)

الشركة	المجالات الأساسية	نقاط القوة التمثيلية
JGC	الغاز الطبيعي المسال، والتكرير، والبتروكيماويات	تشتهر بالالتزام بالانضباط في تنفيذ المشاريع
شيودا	محطات تسييل الغاز الطبيعي المسال	خبرة في مشاريع الغاز الطبيعي المسال الكبرى في قطر
سامسونج E&A	صناعة التكرير والكيماويات في الشرق الأوسط وجنوب شرق آسيا	شركة كبرى متخصصة في مقاولات الهندسة والمشتريات والبناء (EPC) في كوريا الجنوبية
هيونداي للهندسة	صناعة التكرير والكيماويات في الشرق الأوسط وجنوب شرق آسيا	شركة كبرى متخصصة في مقاولات الهندسة والمشتريات والبناء (EPC) في كوريا الجنوبية

الشركات الهندسية المتخصصة والمقاولون الدوليون الآخرون

الشركة	المجالات الأساسية	الخصائص
وورلي	الهندسة التفصيلية في مجالات النفط والغاز والكيماويات	شركة هندسية عالمية تأسست في أستراليا
الخشب	هندسة الطاقة والهندسة الكيميائية	شركة هندسية مقرها المملكة المتحدة
بيتروفاك	خدمات دورة حياة النفط والغاز	مزود خدمات مقره المملكة المتحدة
ماير	مشاريع EPC في مجال البولي أوليفين والأسمدة	وتضم مجموعتها شركة «ستاميكاربون» (Stamicarbon) التي تمنح تراخيص تكنولوجيا اليوريا
هارغروف	هندسة الصناعات الكيميائية	شركة أمريكية متخصصة في الهندسة وخدمات المشاريع
شركة أودوبون للهندسة	البنية التحتية للطاقة	مزود أمريكي يقدم خدماته لمشاريع المعالجة الصناعية ومشاريع النفط والغاز

عادةً ما تحتفظ شركات EPC هذه بفرق كبيرة متعددة التخصصات تغطي مجالات العمليات، والأنابيب، والمعدات الميكانيكية، وأجهزة القياس، والأنظمة الكهربائية، والأعمال المدنية، والهندسة الإنشائية. ويتمثل دورها في تحويل الوثائق المتعلقة بالعمليات والهندسة إلى منشأة مادية آمنة وقابلة للتشغيل.

الشكل 3. مصنع كيميائي ضخم في الليل، يوضح حجم وتعقيد الإنشاءات الصناعية الحديثة من الناحية التقنية.

نماذج التعاقد الدولية الشائعة

يعمل مانحو التراخيص التكنولوجية ومقاولو EPC عمومًا معًا في إطار أحد النماذج الثلاثة التالية.

يبرم المالك عقودًا منفصلة مع المرخص ومقاول التصميم والشراء والبناء (EPC)

في إطار النموذج التقليدي، يقوم المالك بشراء ترخيص العملية ووثيقة تخطيط المشروع (PDP) من مانح الترخيص التكنولوجي. ثم يستخدم المالك تلك الحزمة لتقديم مناقصة بشأن نطاق الأعمال الهندسية الأساسية والهندسية التفصيلية والمشتريات والبناء إلى مقاول EPC.

هذا هو أحد أكثر الترتيبات شيوعًا.

يقدم المرخص كلًا من تصميم المنتج (PDP) والهندسة الأساسية

يقدم بعض مانحي التراخيص كلاً من خطة التطوير الأولية (PDP) وحزمة هندسية أساسية أكثر تطوراً. وقد يقيمون أيضاً شراكات استراتيجية مع مقاولين مختارين في مجال التصميم والمشتريات والبناء (EPC)، ويقدمون عرضاً متكاملاً يشمل الجوانب التقنية والهندسية.

على سبيل المثال، بعد أن منحت شركة «إنفيستا» (INVISTA) ترخيصًا لتقنية النايلون 6,6 لشركة «تشاينا ريسورس كيميكال إنوفيتيف ماتيريالز»، قدمت شركة «كيمتكس» خدمات الهندسة والمشتريات والبناء.

يقدم المقاول المسؤول عن التصميم والبناء والتشغيل (EPC) تقنية المعالجة الخاصة به

قامت بعض شركات EPC باقتناء تقنيات أو تطويرها بشكل مستقل في مجالات متخصصة، مثل المحطات الصغيرة المعيارية وأنظمة معالجة المياه.

هذا النموذج موجود، لكنه لا يزال أقل شيوعًا في مشاريع المواد الكيميائية الأساسية الكبرى، حيث يتحكم مانحو التراخيص الراسخون في العديد من تقنيات المعالجة الرائدة.

لماذا نادرًا ما تقوم شركات المقاولات الكبرى المتخصصة في مجال الهندسة والمشتريات والبناء (EPC) بتطوير حزم تصميم العمليات الخاصة بها؟

إذا كان مقاول EPC يتمتع بقدرات هندسية واسعة ومفصلة، فلماذا لا يقوم ببساطة بتطوير تكنولوجيا العمليات الخاصة به وتقديم خدمات الترخيص وخدمات EPC على حد سواء؟

والسبب الرئيسي في ذلك هو أن مانحي التراخيص التكنولوجية ومقاولي EPC يعملون وفق نماذج أعمال مختلفة جذريًّا.

تتطلب خدمات الملكية الفكرية وخدمات المشاريع نماذج أعمال مختلفة

تُعد حزمة العمليات في المقام الأول منتجًا من منتجات الملكية الفكرية. فقد يستثمر المرخِّص في تطوير تقنية ما مرة واحدة، ثم يمنح تراخيصًا لاستخدامها مرارًا وتكرارًا في مشاريع متعددة.

يمكن تطبيق عقود من البيانات التشغيلية والتجارب ونتائج التوسع وتحسين العمليات على العديد من المصانع. وبمجرد تسويق التكنولوجيا والتحقق من صلاحيتها، قد يتطلب كل ترخيص إضافي عملاً تطويرياً تدريجياً محدوداً نسبياً.

أما التعاقد بنظام EPC، على النقيض من ذلك، فهو قائم على أساس كل مشروع على حدة. ويتطلب كل مشروع فريقًا مخصصًا وقد يشمل مئات المهندسين والعاملين في مجال البناء. كما يتحمل المقاول مخاطر كبيرة تتعلق بالجدول الزمني والتكلفة والمشتريات وأعمال البناء.

وبالتالي، فإن ترخيص التكنولوجيا يعتمد على الملكية الفكرية القابلة للتكرار، في حين أن التعاقد على مشاريع EPC يعتمد على تنفيذ المشاريع وإدارة المخاطر. وتختلف القدرات التنظيمية المطلوبة في كل منهما.

يتطلب تطوير العمليات استثمارات طويلة الأجل

عادةً ما يتطلب تطوير عملية ناضجة يمكن ترخيصها تجاريًّا ما يلي:

• الأبحاث المختبرية
• الاختبارات على نطاق المختبر
• التحقق من الصحة على نطاق تجريبي
• تشغيل المصنع التجريبي
• هندسة التوسع
• تطبيق تجاري هو الأول من نوعه
• بيانات التشغيل على المدى الطويل

قد تستغرق دورة التطوير الكاملة ما بين 10 و20 عامًا، وتتطلب استثمارات تُقدَّر بمئات الملايين من الدولارات الأمريكية، اعتمادًا على التكنولوجيا المستخدمة.

بالنسبة لشركات EPC المدرجة في البورصة والتي تركز على حجم أعمال المشاريع والأداء المالي الفصلي، قد يكون من الصعب تبرير هذا النموذج الاستثماري. وقد تكون المجموعات الصناعية الخاصة في وضع أفضل لدعم تطوير التكنولوجيا على مدى فترات أطول.

تشكل الخبرة الفنية في العمليات حاجزًا كبيرًا أمام دخول السوق

لا يقتصر برنامج تطوير المنتجات (PDP) على مجرد تحليلات الأداء المالي (PFDs) وموازين المواد فحسب، بل يتضمن ما هو أكثر من ذلك بكثير. وهو مدعوم بـ... المعرفة الضمنية التي يصعب الحصول عليها من المعلومات العامة.

ومن الأمثلة على ذلك:

• سلوك تعطيل المحفز عند تركيزات محددة من الشوائب
• أداء المعدات على المدى الطويل في ظل ظروف تشغيل غير عادية
• يلزم وجود منطق تحكم خاص أثناء بدء التشغيل وإيقاف التشغيل
• سلوك التلوث والتآكل والانسداد
• حساسية جودة المنتج تجاه التغيرات الطفيفة في ظروف التشغيل
• القيود التي تم تحديدها في عملية التوسع من خلال التشغيل التجريبي والتشغيل التجاري

يكتسب مانحو تراخيص التكنولوجيا هذه المعرفة من خلال عقود من التغذية الراجعة التشغيلية الواردة من العديد من المصانع. وقد تكون هذه المعرفة مخزنة في قواعد بيانات خاصة، أو معايير داخلية، أو أساليب تصميم، أو خبرة كبار المهندسين.

لا يمكن لمقاول EPC استنساخ هذه المعرفة بسهولة من خلال الهندسة العكسية. فقد يستغرق إعداد مخطط P&ID أسابيع؛ أما اكتساب الخبرة اللازمة لفهم كل قرار تصميمي والتحقق من صحته، فقد يستغرق عقودًا.

تؤدي ضمانات الأداء التكنولوجي إلى خلق مخاطر إضافية

غالبًا ما تكون حزم العمليات المرخصة مصحوبة بـ ضمان الأداء. إذا لم تتمكن المحطة بعد اكتمال بنائها من تحقيق السعة أو جودة المنتج أو استهلاك الطاقة أو أي أهداف أداء أخرى محددة في العقد، فقد يتحمل مانح الترخيص التكنولوجي مسؤولية دفع غرامات.

يتطلب تقديم مثل هذا الضمان ثقة كبيرة في التكنولوجيا وبيانات تشغيل كافية لتحديد نطاق أدائها.

قد يواجه المقاول الذي يعمل بنظام EPC (التصميم والمشتريات والبناء) — والذي يوفر التكنولوجيا ونطاق التنفيذ الكامل للمشروع — أيضًا تضاربات محتملة بين أداء العمليات وتكلفة المعدات وتكلفة البناء والجدول الزمني. وقد يفضل المالكون الاستعانة بمانح ترخيص مستقل تكون مسؤولياته الفنية وضماناته محددة بوضوح.

وبالمثل، قد يفضل مقاولو EPC تجنب مخاطر تطوير التكنولوجيا التي قد تهدد الأداء المالي للمشروع بأكمله.

تواجه محاولات الجمع بين التكنولوجيا وقدرات EPC عقبات كبيرة

وقد حاولت بعض شركات EPC التوسع في مجال ترخيص التكنولوجيا.

على سبيل المثال، قامت «المجموعة الوطنية الصينية للهندسة الكيميائية» بالترويج لـ T+EPC, ، أو نموذج “التكنولوجيا بالإضافة إلى EPC”، الذي يعتمد على التطوير الداخلي واقتناء التكنولوجيا. كما اكتسبت شركات الهندسة الكورية الجنوبية قدرات خاصة بها في تطبيقات محددة في مجالي التكرير ومعالجة المركبات العطرية.

ومع ذلك، لا تزال هناك عدة عوائق:

• تمتلك الجهات المانحة للتراخيص الراسخة بالفعل محافظ براءات اختراع واسعة النطاق تتعلق بمسارات التصنيع الرئيسية
• قد تفتقر شركات EPC إلى المنشآت التجريبية وفرص التحقق الصناعي
• غالبًا ما يشترط المالكون وجود سجل تشغيل طويل قبل قبول تقنية عملية جديدة
• قد تؤدي ضمانات الأداء المتعلقة بتكنولوجيا لم تثبت فعاليتها بعد إلى تعرض الشركة لمخاطر مالية كبيرة

ونتيجة لذلك، لم ينجح سوى عدد محدود من شركات EPC في تطوير كل من محافظ ترخيص عمليات واسعة النطاق وقدرات تنفيذية كاملة في مجال EPC.

التخصص يعزز كفاءة المشاريع

يعكس الفصل بين ترخيص التكنولوجيا وتنفيذ مشاريع «التصميم والمشتريات والبناء» (EPC) مزايا التخصص الصناعي.

يركز مانحو تراخيص التكنولوجيا على البحث، وتطوير العمليات، وتوسيع نطاق الإنتاج، والمعدات المسجلة الملكية، والمحفزات، والمعرفة الفنية التشغيلية. أما مقاولو EPC فيركزون على التكامل الهندسي، والمشتريات، والبناء، ودعم التشغيل، ومراقبة التكاليف، وإدارة الجداول الزمنية.

إن تقسيم المعرفة التقنية إلى وحدات هو ما يجعل هذا التقسيم ممكنًا. حيث يقوم برنامج تطوير المنتجات (PDP) بتجميع المعرفة الخاصة بالعمليات في مجموعة منظمة من الوثائق والمواصفات التي يمكن نقلها إلى مقاول هندسي دون الكشف عن كل جوانب الأبحاث الأساسية التي أجراها المرخص.

يقلل هذا الهيكل من تكاليف التنسيق، ويتيح في الوقت نفسه لكل مشارك التركيز على نقاط قوته.

عند إنشاء مصنع كيميائي كبير، قد تأتي تكنولوجيا العمليات المستخدمة فيه من جهات مانحة للتراخيص مثل «هانيويل يو أو بي» (Honeywell UOP) أو «إنفيستا» (INVISTA) أو «ليندي» (Linde)، في حين قد تتولى شركات مثل «بيكتل» (Bechtel) أو «فلور» (Fluor) أو «جي جي سي» (JGC) أو «سامسونج إي آند إيه» (Samsung E&A) تنفيذ أعمال الهندسة والبناء.

وبالتالي، فإن المصنع الذي تم إنجازه هو نتيجة العمل المنسق بين مانحي التراخيص التكنولوجية، والمالكين، والشركات الهندسية، وموردي المعدات، ومقاولي البناء.

الخاتمة

تؤدي المراحل الثلاث الرئيسية لتصميم المصانع الكيميائية وظائف متميزة لكنها مترابطة بشكل وثيق:

• إن حزمة تصميم العمليات يحدد مسار العملية والمتطلبات الفنية والمعرفة التشغيلية الخاصة بالشركة.
• الهندسة الأساسية أو FEED وتحول هذه التكنولوجيا إلى مفهوم هندسي متكامل، وتقدم حلولاً للمسائل الرئيسية المتعلقة بالتصميم والسلامة والتكلفة وقابلية التشغيل.
• الهندسة التفصيلية تُعد الوثائق الجاهزة للتنفيذ اللازمة لعمليات الشراء والتصنيع والتركيب والتشغيل.

لا يمكن لأي من المراحل الثلاث أن تحل محل المراحل الأخرى بالكامل.

تحدد جودة خطة التطوير الأولي (PDP) ما إذا كانت العملية الأساسية سليمة من الناحية الفنية. وتحدد جودة الهندسة الأساسية ما إذا كان من الممكن تحويل تلك العملية إلى منشأة آمنة وقابلة للتشغيل ومجدية اقتصاديًا. أما جودة الهندسة التفصيلية فتحدد ما إذا كان من الممكن تنفيذ التصميم بدقة وتشغيله بشكل موثوق.

وبالتالي، فإن تقسيم المسؤوليات بين مانحي تراخيص التكنولوجيا ومقاولي EPC ليس فصلاً لا داعي له. بل هو هيكل راسخ لتنفيذ المشاريع يستند إلى القدرات التقنية والنماذج التجارية وخصائص المخاطر المختلفة.