循环经济（CE）是一种遵循减量、再利用和资源利用原则的绿色生态经济。其目标是提高资源利用效率，减少污染物排放，特点是低消耗、低污染、高产出、高效益和高效率。循环经济是调整产业结构和转变经济发展模式的方向。
循环经济通过将经济活动与有限资源的消耗脱钩，为解决一些全球性挑战（如气候变化、生物多样性丧失以及废物和污染问题）提供了方案。
传统经济基本上是线性的：从自然界获取原始材料，用于制造产品，产品使用后被丢弃。这种模式导致长期的高水平废物产生，并使经济发展与新原始材料的投入形成依赖。在资源有限的世界里，这种模式无法长期持续，已有迹象表明它正在达到极限。相比之下，循环经济是一种设计上具有恢复性和再生性的经济和工业模式。从系统角度出发，循环经济消除了废物的概念，旨在将经济增长与原始资源的使用分离。
学术界对循环经济的定义并不统一。有人发现存在17个维度下的114种定义，因此我们采用了Saidani等人的观点[1]：“循环经济是一种在经济、生产和消费过程中用减量、选择性再利用、回收和材料回收取代生命周期概念的经济系统。它可以在微观层面（产品、企业、消费者）、中间层面（生态工业园区）和宏观层面运作，其目的是实现可持续发展，从而为当前和后代创造美好的环境、经济繁荣和社会正义。”
传统经济是资源从开采、利用到处置的线性经济模式，而循环经济则是基于3R原则（减量、再利用、回收）的经济运作模式，这种模式使用最少的资源，效率最高，产生的废物最少，对环境的影响也最小[2]。图1有助于理解这两种经济模式的区别。
关于PSE在循环经济领域的应用，Pistikopoulos等人[3]、[4]已经进行了系统的全面回顾。他们使用了一个多级模型，如图2所示。该模型的核心层涉及与制造过程相关的方法和工具，如过程模拟和优化、过程合成、过程控制等。可以说，这一核心层的研究对象是当前传统PSE方法和工具所针对的问题。扩展的中间层应涵盖更广泛的范围，包括资源（如能源、水资源等）的有效利用以及技术过程的可持续性。由于复杂性的增加，应采用先进的PSE研究方法和工具，如多尺度模拟和集成、多目标优化、考虑环境影响的优化方法、机器学习和人工智能应用、计划调度和供应链优化等。最外层（集成层）涉及社会和生态环境，例如应对人口增长、气候变化、病毒流行病等全球性问题，以及水-能源-食物-健康NEXUS方法的研究等。
作者在2003年提出了绿色过程系统工程[5]，并指出与传统PSE不同，绿色PSE强调对过程系统和生态学的共同研究。系统的相互作用旨在统一人工系统和自然系统，构建一个和谐的社会-经济-自然环境。这就是循环经济系统。
因此，绿色PSE必然是跨学科的，它应该从绿色化学、化学工程、工业生态学、环境科学与工程、生态工程等学科中汲取营养。过去20年来，这一领域取得了巨大进展，正如Pistikopoulos等人[3]所指出的，它可能成为下一代PSE的发展方向。他们提出，循环经济系统工程（CESE）可能会在未来二十年成为PSE的新思维和实践方向。我们认为，CESE的根基已经建立在绿色PSE的基础上，未来二十年它可能会发展成为一棵庞大的CESE大树。
上个世纪末，传统化学工程学科扩展到了化学的分子微观世界。随着分子工程成为热门话题，人们发现基于科学的研究与基于系统的研究之间存在差距。本世纪初，Grossmann和Westerburg认为PSE的研究领域应扩展到纳米/分子尺度，因此他们提出了化学供应链的概念，并为时空化学供应链提供了一个框架，将PSE的研究范围扩展到了从分子到企业的时空领域[6]。然而，本世纪初人们越来越关注气候变化问题。1996年在柏林举行的第一次COP世界大会标志着人类意识到应该自我约束并对整个地球负责，可持续性的概念逐渐渗透到科学和技术界。本世纪的前二十年，重点在于可持续发展和循环经济。在此期间，PSE学术界也为过程工业的设计和运营优化做出了贡献，甚至推动了循环经济的发展。正如Pistikopoulos等人[3]所指出的，PSE和循环经济有许多共同目标，如减少废物排放、最大化资源利用和关注可持续性。此外，在研究方法方面，PSE为循环经济提供了一系列方法和工具[4]。
然而，从循环经济研究的角度来看，我们的研究对象远远超出了Grossmann和Westerburg提出的化学供应链的范围。这一次，我们的研究方向相反——向宏观方向扩展。或者说，这不是简单的尺度扩展，而是一种尺度的转变。大多数传统PSE的研究对象都集中在微观层面。思路仍然与之前相同：根据它们所占的时空尺度将研究对象分为微观、中观和宏观三个层次。但这里的微观层次相当于Grossmann和Westerburg提出的整个化学供应链。研究对象的定义基于Saidani对循环经济的定义。
我们提出了一个新的循环经济时空框架模型，如图3所示。时间尺度从化学反应中原子运动的皮秒（ps）到分子振动的纳秒（ns），再到工业过程运行的小时，以及环境中污染物降解的世纪。空间尺度从分子过程的纳米尺度、活性位点到企业的微观尺度（普通尺度）；再到工业园区、绿色城市和闭环供应链的中观尺度（0.1?10km）；以及全球问题的宏观尺度（Mm?Gm），即106m?109m。
这是一种多尺度集成方法，根据循环经济的三个运作层次，将时空框架分为微观层、中观层和宏观层。每个层次包含几个关键子系统，并有相应的系统名称。例如，微观层是企业层面，包括可再生资源、反应合成（制造的关键步骤）、可持续过程、水-能源网络、高循环性的产品以及客户。这些都是企业运营循环经济时涉及的关键要素[7]。
这种多层次集成的更高层次必须包含较低层次的子系统。例如，中观层的EIP由许多企业组成，除此之外还有其他与循环经济相关的关键问题，如闭环供应链、工业循环经济、绿色可持续城市、区域循环经济等。
宏观层是全球系统。这个系统可以由许多EIP层面的问题组成，如工业园区、工业循环经济、供应链和绿色城市等。此外，全球系统还有一些共同的重要问题，如气候变化、碳循环经济；每个国家在运行循环经济时都有自己的问题；流域循环经济；水-能源-食物WEF Nexus方法（这是PSE社区的主要贡献）。
我们将分别探讨每个层次组成单元的进展。我们并不打算对过去20年绿色过程系统工程的所有工作进行全面总结，仅从化学工业的角度概述主要进展。
