Предложено феноменологическое описание эффектов формирования кластеров и сепарации несвязных сферических частиц по размеру и плотности в слое разреженной зернистой среды под действием вибраций в условиях микрогравитации. Проведено математическое моделирование структурно-кинематических параметров зернистой среды на базе уравнения ее состояния как «газа твердых частиц», в результате которого установлено, что условием формирования кластера частиц являются достаточно высокие значения доли твердой фазы и толщины вибрирующего слоя, при которых квазитепловой поток вибрации имеет ограниченную область активного проникновения в объем слоя. Процесс сепарации является следствием квазидиффузионного взаимодействия частиц, имеющих различную скорость флуктуаций при наличии градиента доли пустот в объеме зернистой среды. Моделирование распределения частиц бинарной смеси, различающихся по размеру, проведено с использованием уравнения динамики сепарации, описывающего процесс переноса неоднородных частиц как результат сопряжения квазидиффузионных потоков сепарации и перемешивания. Результаты моделирования приведены в сравнении с экспериментальными данными, полученными при поддержке европейского космического агентства (Parabolic Flight Campaign PFC64) с использованием прибора VIP-Gran.